Obróbka metali a powlekanie narzędzi skrawających

Obróbka skrawaniem wiąże się z dużym zużyciem narzędzi tnących. Zakup nowych narzędzi to spory udział w kosztach w skali roku. Dlatego zależnie od profilu produkcji i rodzaju materiałów wykorzystywanych w obróbce CNC warto zadać sobie pytanie czy inwestować w nowe ostrza? Czy może oddać je do ponownego ostrzenia i zabezpieczenia powierzchni? Należy pamiętać, że w procesie obróbki metali istotne znaczenie ma technologia i materiał, z jakiego wykonane są narzędzia i ostrza skrawające, jak również ich kształt i geometria.

Czy warto pokrywać powierzchnie narzędzi tnących?

Obróbka metali wymaga stosowania profesjonalnych narzędzi tnących. Narzędzia skrawające wykonane choćby z węglików spiekanych są drogie i podnoszą comiesięczne koszty zmienne firmy. Rozwiązaniem umożliwiającym pewne oszczędności może być ostrzenie zużytych narzędzi oraz zastosowanie na nich specjalnych powłok zabezpieczających. Chronią one skutecznie przed szkodliwym wpływem czynników zewnętrznych, a tym samym wydłużają ich żywotność.

Dlaczego powłoki poprawiają wydajność narzędzi skrawających w obróbce CNC?

• wydłużają żywotność narzędzia ze względu na wysoką twardość powłok od 2 do nawet 10 razy dłużej niż w przypadku pracy bez powłoki, co jest szczególnie istotne w przypadku firm, których głównym zajęciem jest obróbka metali,  
• chronią przed szkodliwym działaniem czynników zewnętrznych, w tym również przed korozją,
• ograniczają dyfuzję i podatność na zmiany chemiczne,
• zmniejszają współczynnik tarcia na styku ostrza z wiórem i ostrza z przedmiotem obrabianym, dzięki czemu odprowadzanie wiórów jest znacznie łatwiejsze i nie ma konieczności ich ponownego cięcia,
• poprawiają jakość wykończenia, gdyż tną czyściej nie nadbudowując krawędzi,
• zwiększają prędkość i posuw narzędzia, a przez to poprawiają wydajność produkcji,
• powodują lepsze rozłożenie ciepła w obszarze obróbki metali,
• redukują lub całkowicie eliminują zużycie chłodziwa, nie zwalniając przy tym tempa pracy,
• umożliwiają łatwiejszą wizualną ocenę stanu narzędzia.

Podstawowe rodzaje powłok i ich zastosowania w obróbce CNC

Powłoka to bardzo cienka i mocno przylegająca warstwa związku chemicznego nakładana na przedmiot obrabiany. Grubość powłoki jest podawana w mikrometrach (µm). W zależności od obrabianego materiału, rodzaju skrawania oraz precyzji narzędzia należy przemyśleć wymagania dotyczące powłoki. Istotne jest to, że np. przy gwintowaniu wykorzystuje się mniejszą prędkość niż wiercenie wiertłem krętym, dlatego wymagania dot. maksymalnej temperatury stosowania są inne, a ma to wpływ na zużycie narzędzia oraz na znajdującą się na nim powłokę zabezpieczającą.

Powłoka TiN

Azotek tytanu był pierwszą komercyjną powłoką PVD i od połowy lat 60 aż do dzisiaj powłoki z niego są nadal popularne w obróbce metali.  Jest to doskonała, tania powłoka ogólnego przeznaczenia głównie w celu poprawy właściwości powierzchni takich jak stal, węglik i stopy tytanu. Powłoka ta znacznie zwiększa trwałość (nawet 3-4 razy) w porównaniu do narzędzi niepowlekanych, jak i odporność na korozję. Stosuje się ją głównie do obróbki CNC przy niskich prędkościach, czy do obróbki plastycznej metali. Zwiększa twardość, poprawia przyczepność, zapewnia dobrą ciągliwość i smarowność, ma również wysoką stabilność chemiczną, Wykorzystywana do obróbki skrawaniem niektórych stali <900 (N/mm²), mosiądzu, żeliwa czy aluminium. Kolor powłoki złoty, twardość 2900 HV, temperatura utleniania 200 -900 stopni F.

Powłoka TiCN

Węgloazotek tytanu w formie powłoki przeznaczony jest głównie do wykrawania stali <1300 (N/mm²) lub aluminium. Powłoka ta jest idealna do formowania wielu materiałów o małych promieniach, jak i do pracy z małymi i średnimi prędkościami. Ma zwiększoną wytrzymałość na zużycie i tarcie oraz jest bardzo odporna na uderzenia i świetnie sprawdza się w obróbce przerywanej. Trwałość narzędzia zwiększa się nawet od 2 do 4 razy w porównaniu do powłoki TiN, a 2-8 razy w porównaniu z narzędziami niepowlekanymi. Dodanie węgla do warstwy TiN zwiększa twardość powłoki o prawie 80%, co skutkuje dodatkową trwałością narzędzia. Jest przeznaczona do narzędzi intensywnie użytkowanych, a dodatkowo łatwo ją usunąć ze zwykłych stali narzędziowych, aby nałożyć nową powłokę. Nie można natomiast usunąć tej powłoki z węglika i innych materiałów, gdyż zastosowana substancja chemiczna atakuje spoiwo kobaltowe lub materiał podłoża. Kolor powłoki różowo-grafitowy, twardość 4000HV, temperatura utleniania 750 stopni F.

Powłoka TiAlN

Azotek tytanowo-glinowy stosowany jest do zabezpieczenia narzędzi w obróbce CNC z dużą prędkością, jak również do obróbki metali twardych lub obróbki skrawaniem stali <1100 (N/mm²), stali nierdzewnej (przy dowolnej prędkości), stopów tytanu, żeliwa, ale również aluminium, mosiądzu, brązu i tworzyw sztucznych. Skład tych powłok pozwala na obróbkę metali i innych materiałów bez stosowania chłodziwa i często przy podwyższonych prędkościach i posuwach. Nadają się do obróbki skrawaniem zarówno ciągłej, jak i przerywanej. Charakteryzują się zwiększoną odpornością na ścieranie i korozję, ale również na wysokie temperatury i utlenianie. Kolor powłoki ciemnoszary, twardość 3500 +/- 200 HV, temperatura utleniania 1400 stopni F.

Powłoka AlTiN

Powłoki z azotku glinowo-tytanowego są zwykle stosowane do obróbki CNC z dużą prędkością, obróbki metali twardych, obróbki stali nierdzewnej (przy dowolnej prędkości). Skład powłoki umożliwia obróbkę skrawaniem wielu materiałów bez chłodziwa i często przy podwyższonych prędkościach i posuwach. Ze względu na unikalną strukturę dobrze nadają się do obróbki ciągłej i przerywanej. Powłoka ta charakteryzuje się zwiększoną twardością, wytrzymałością na korozję oraz zwiększoną odpornością na ścieranie. Poprzez jej zastosowanie znacznie poprawia się wydajność i trwałość narzędzi skrawających.  Kolor powłoki ciemnoszary, twardość 3500 HV +/- 200, temperatura utleniania 1400 stopni F.

Jakie są metody nakładania powłok zabezpieczających?

Nakładanie powłok na ostrza, służące do obróbki metali, odbywa się w zasadzie na dwa sposoby:

• Metoda PVD (physical vapor deposition), czyli fizyczne osadzanie z fazy gazowej,
• Metoda CVD (chemical vapor deposition), czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej.

PVD

Jest to jedna z najczęściej stosowanych technik nanoszenia powłok na narzędzia tnące. Nie zachodzą w niej żadne procesy chemiczne, a cały proces ma wymiar jedynie fizyczny. Para materiału skrapla się na powierzchni podłoża. Dla uzyskania pewności, że cząsteczki pary dotrą do składników i nie zostaną utracone w wyniku dyspersji cząsteczek gazu – cały proces odbywa się w warunkach próżni. Wykorzystuje m.in. rozpylanie, sublimację lub napylanie w obecności gazów reaktywnych, które ułatwiają powstanie warstwy o dużej twardości. Odbywa się ona na zimno lub na podłożu rozgrzanym do 350-600°C. Dzięki temu właściwości materiału podstawowego zmieniają się nieznacznie w porównaniu do zmian zachodzących w trakcie procesu CVD. Zachowany zostaje również stopień udarności specjalnych, drobnoziarnistych węglików.

Uzyskana za pomocą metody PVD powłoka ma z reguły grubość 3-5 μm i twardość w granicach 2000-3500 HV. Połączenie na styku powierzchnia-powłoka ma charakter adhezyjny, a o jego sile decyduje czystość pokrywanej powierzchni. Dlatego przed rozpoczęciem procesu konieczne jest dokładne oczyszczenie, które składa się z dwóch etapów. Po pierwsze należy przeprowadzić czyszczenie zgrubne (chemiczne), aby usunąć z powierzchni narzędzia wszelkie tłuszcze, smary, farby, zanieczyszczenia mechaniczne czy ślady korozji. Tuż przed samym nanoszeniem powłok przeprowadza się czyszczenie jonowe – w celu aktywowania powierzchni i jej podgrzania do odpowiedniej temperatury.

Powłoki uzyskane tą metodą charakteryzują się zwiększoną twardością i mniejszym zużyciem ściernym. Mają zwiększoną odporność na uszkodzenia, zatarcia, wyłamania czy wykruszenia, co wpływa na jakość obrabianej powierzchni. Pozwala również na stosowanie wyższych prędkości skrawania.

CVD

Jest to metoda nieco bardziej skomplikowana niż PVD, jak i mniej popularna. To metoda polegająca na chemicznym osadzaniu z fazy gazowej i stosuje się ją do wytwarzania naturalnych powłok o niskim naprężeniu w drodze termicznie indukowanych reakcji chemicznych. Substancje bazowe służące do powlekania są odparowywane i dostarczane do strefy powlekania w postaci pary. Para następnie rozkłada się lub reaguje z dodatkowymi substancjami bazowymi, tworząc w ten sposób cienką warstwę na podłożu. Proces ten można przeprowadzić w próżni lub pod ciśnieniem atmosferycznym. Reakcje powierzchniowe zajdą, gdy temperatura podłoża wyniesie do 1000°C, a czasami nawet powyżej, choć przez to nie nadaje się do wszystkich materiałów. Procesy te może wspomóc plazma, co zwiększa szybkość reakcji i obniża temperaturę powłoki. Zresztą wraz z rozwojem technologii te klasyczne metody ulegają ewolucji i dzisiaj jest już możliwe ich przeprowadzenie w niższych temperaturach nawet w około 500-700°C

Uzyskane powłoki mogą mieć grubość 5-12 μm, a w niektórych przypadkach do 20 μm. Powłoki można nakładać jedno- lub wielowarstwowo. Charakteryzują się niskimi naturalnymi naprężeniami, wyjątkową przyczepnością oraz doskonałą jednorodnością. Idealne do powlekania skomplikowanych geometrii. Obecnie metoda ta jest najczęściej wykorzystywana do nanoszenia powłok na narzędzia wykonane z węglików spiekanych oraz materiałów ceramicznych. Problematyczne mogą być jednak powstałe w wyniku reakcji substancje uboczne wymagające odpowiedniej utylizacji.

Powlekanie narzędzi skrawających – FAQ